Компенсация нелинейно-инерционных искажений сигнала в передающем СВЧ радиотракте тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат наук Лавлинский Сергей Сергеевич

• Лавлинский Сергей Сергеевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Лавлинский Сергей Сергеевич

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. НЕЛИНЕЙНО-ДИНАМИЧЕСКИЕ ИСКАЖЕНИЯ СИГНАЛА В АНАЛОГОВОМ ТРАКТЕ БЕСПРОВОДНОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ

1.1 Искажения сигналов в аналоговом радиотракте

1.1.1 Нелинейные искажения сигнала в аналоговом радиотракте

1.1.2 Линейные искажения сигнала в аналоговом радиотракте

1.1.3 Методы линеаризации аналогового радиотракта

1.2 Моделирование работы аналогового тракта

1.2.1 Поведенческие модели аналоговых устройств

1.2.2 Общие нелинейно-динамические модели

1.3 Блочно-ориентированные модели нелинейно-динамической системы

1.3.1 Частные блочно-ориентированные модели

1.3.2 Двухблочная модель

Выводы к главе

ГЛАВА 2. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВУХБЛОЧНОЙ МОДЕЛИ

2.1 Адаптивные способы идентификации двухблочной модели

2.1.1 Идентификация параметров двухблочной модели с помощью метода стохастического градиента

2.1.2 Идентификация параметров двухблочной модели по критерию наименьших квадратов

2.2 Критерии оценки моделирования

2.3 Экспериментальное построение двухблочной модели радиотракта с композитной структурой

2.4 Экспериментальное построение двухблочной модели радиотракта с выраженным квадратурным дисбалансом

Выводы к главе

ГЛАВА 3. ЛИНЕАРИЗАЦИЯ АНАЛОГОВОГО РАДИОТРАКТА С ПОМОЩЬЮ ДВУХБЛОЧНОЙ МОДЕЛИ ЦИФРОВОГО КОРРЕКТОРА

3.1 Схема включения цифрового корректора адаптивной системы линеаризации аналогового радиотракта

3.2 Компенсация нелинейно-динамических искажений радиотракта с помощью двухблочной структуры цифрового корректора

3.2.1 Двухблочная структура цифрового корректора

3.2.2 Идентификация параметров предыскажений двухблочного цифрового корректора

3.3 Компьютерное моделирование работы двухблочного цифрового корректора

3.4 Практическая линеаризация аналогового тракта с помощью двухблочного цифрового корректора

Выводы к главе

ГЛАВА 4. СОВМЕСТНАЯ ЛИНЕАРИЗАЦИЯ КВАДРАТУРНОГО МОДУЛЯТОРА И УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ С ПОМОЩЬЮ ДВУХБЛОЧНОГО ЦИФРОВОГО КОРРЕКТОРА

4.1 Цифровая компенсация квадратурного дисбаланса

4.1.1 Построение модели цифрового корректора квадратурного дисбаланса

4.1.2 Моделирование системы цифровой коррекции квадратурного дисбаланса

4.2 Совместная линеаризация квадратурного дисбаланса и усилителя мощности

4.2.1 Применение одноблочного корректора для линеаризации квадратурного дисбаланса и усилителя мощности

4.2.2 Двухблочная структура цифрового корректора для линеаризации квадратурного дисбаланса и усилителя мощности

4.3 Построение двухблочной модели цифрового корректора для линеаризации квадратурного дисбаланса и усилителя мощности

4.3.1 Способы идентификации параметров двухблочной модели совместного корректора усилителя и квадратурного модулятора

4.3.2 Компьютерное моделирование работы двухблочного корректора аналогового радиотракта с учетом дисбаланса квадратур

4.4 Практическая линеаризация аналогового тракта с выраженным дисбалансом квадратур с помощью двухблочного цифрового корректора

Выводы к главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Компенсация нелинейно-инерционных искажений сигнала в передающем СВЧ радиотракте»

ВВЕДЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена развитию методов повышения спектральной и энергетической эффективности систем беспроводной связи СВЧ диапазона за счёт синтеза поведенческих двухблочных моделей и построения систем компенсации нелинейно-динамических сигнальных искажений, возникающих внутри передающего радиотракта с дифференцированной многоблочной структурой.

Актуальность темы исследования. Наблюдаемый в настоящее время бурный рост числа мобильных устройств беспроводной передачи данных актуализирует запрос потребителей на энергетическую эффективность и высокое качество связи телекоммуникационной продукции. С точки зрения энергетических затрат одним из наиболее дорогих элементов передающего устройства является усилитель мощности, который достигает максимальной эффективности при выборе рабочей точки его передаточной характеристики в области, близкой к насыщению. Однако нелинейное искажение передаваемого сигнала, вызванное работой усилителя мощности в подобных граничных условиях, приводит к появлению в его спектре внеполосного излучения. Таким образом, нелинейный вид передаточной характеристики усилителя мощности определяет обратную зависимость между энергетической эффективностью передатчика и его электромагнитной совместимостью с другими устройствами.

На сегодняшний день из множества аналоговых и цифровых способов борьбы с внеполосным излучением усилителя мощности выделяют метод линеаризации передаточной характеристики, основанный на вводе в сигнал цифровых предыскажений, способных компенсировать последующие нелинейные аналоговые искажения устройства [1, 2, 3]. Отличительным преимуществом цифрового метода ввода предыскажений становится удобство построения на его основе адаптивной системы линеаризации [4, 5], которая способна регулировать

параметры предыскажений в зависимости от постоянно меняющихся внешних и внутренних свойств системы связи.

Усиливающаяся тенденция к увеличению скорости передачи данных обуславливает выбор разработчиков в пользу использования сигналов с более сложными типами модуляции и более широкой полосой. Такие сигналы, проходя различные стадии аналоговых преобразований внутри радиотракта, помимо нелинейных искажений, вводимых усилителем мощности, подвержены ряду инерционных искажений, источниками которых выступают фильтрующие цепи, квадратурный модулятор, преобразователи частоты и т.д. Иными словами, совершенствование способов цифровой обработки сигнала актуализирует вопрос детального учета влияния составных частей передающего аналогового тракта на его совокупную переходную характеристику. Поэтому для современных высокоскоростных систем беспроводной связи задача повышения линейности передаточной характеристики усилителя мощности становится лишь частным вопросом в общей задаче линеаризации радиотракта в целом [6, 7].

Традиционно, задачи моделирования и компенсации нелинейно-динамических искажений передающего тракта решаются с помощью различных полиномиальных моделей [8, 9], которые обобщают частные свойства его аналоговых составляющих. С точки зрения построения поведенческой модели аналогового радиотракта, такое обобщение не дает возможности дифференцировать его внутреннюю структуру, снижая тем самым общую информативность полученных результатов моделирования. Таким образом, актуализируется задача поиска способов построения и параметрической идентификации двухблочной нелинейно-динамической поведенческой модели закрытого аналогового тракта, способной выделить характеристики его составных частей.

С точки зрения адаптивной компенсации нелинейно-динамических искажений, обобщенные модели, используемые для синтеза цифровых корректоров, становятся причиной избыточных вычислительных действий, так как изменение состояния одной из составных аналоговых частей радиотракта

ведет к адаптивному перерасчету всех параметров цифровых предыскажений. Этой проблемы лишены корректоры, использующие двухэтапный ввод предыскажений [10], основанный на идее условного разделения обобщенных физических свойств радиотракта на постоянную и изменчивую части. Для первого случая часть компенсационных коэффициентов двухблочного корректора определяется на этапе калибровки устройства, фиксируется и в дальнейшем не изменяется. Для второго случая оставшаяся часть предыскажений непрерывно обновляется, реализуя тем самым адаптивный контроль над изменением внутреннего состояния системы. Такое решение снижает количество коэффициентов, требующих адаптивного обновления, однако, в то же время, не имея механизма параллельной подстройки параметров первого и второго блоков, сужает область применения подобных полу-адаптивных систем линеаризации и делает их крайне чувствительными к этапу калибровки. Наличие указанных недостатков актуализирует исследовательский интерес к поиску алгоритмов построения полноценной адаптивной двухблочной системы цифровой линеаризации аналогового радиотракта, независимой от калибровки в силу осуществления одновременной подстройки всех параметров предыскажений корректора, а не только их части.

Таким образом, внедрение методов параметрической идентификации двухблочных структур в процедуры поведенческого моделирования передающего тракта и построения сопутствующих двухблочных адаптивных систем линеаризации становится логичным шагом на пути к повышению качества и эффективности современных систем беспроводной связи СВЧ диапазона.

Целью диссертации является повышение спектральной и энергетической эффективности систем радиосвязи СВЧ диапазона на фоне нелинейно -динамических искажений передаваемого сигнала внутри аналогового радиотракта с дифференцированной многоблочной структурой.

Научная задача заключается в разработке эффективных методов компенсации нелинейно-динамических искажений в передающем аналоговом

тракте для повышения спектральной эффективности систем радиосвязи СВЧ диапазона.

Объектом исследования является передающий аналоговый тракт систем беспроводной связи, а предметом исследования - моделирование и компенсация нелинейно-динамических искажений в передающем СВЧ радиотракте.

Для достижения поставленной цели в диссертации были сформулированы и решены следующие частные задачи:

- построение двухблочной нелинейно-динамической модели аналогового передающего тракта;

- построение двухблочной нелинейно-динамической модели аналогового передающего тракта, проявляющего квадратурный дисбаланс;

- синтез двухблочного цифрового корректора для компенсации нелинейно-динамических искажений аналогового радиотракта;

- разработка алгоритмов адаптивного обновления параметров двухблочного цифрового корректора для компенсации нелинейно-динамических искажений аналогового радиотракта;

- синтез двухблочной модели цифрового корректора для компенсации нелинейно-динамических искажений аналогового радиотракта, проявляющего квадратурный дисбаланс;

- разработка алгоритмов адаптивного обновления параметров двухблочного цифрового корректора для компенсации нелинейно-динамических искажений аналогового радиотракта, проявляющего квадратурный дисбаланс.

Методы исследования. При решении задач, поставленных в диссертации, использовались: методы компьютерного моделирования нелинейно-динамических систем, численные методы расчета и анализа, методы и алгоритмы теории автоматического регулирования, методы цифровой обработки сигналов, а также экспериментальные методы радиофизики.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- предложены способы построения и алгоритмы параметрической идентификации двухблочной нелинейно-динамической модели закрытого

аналогового передающего тракта, позволяющие, в сравнении с известными аналогами, детализировать внутреннюю структуру и повысить качество поведенческого описания исследуемого устройства;

- предложены способы построения и алгоритмы параметрической идентификации двухблочной нелинейно-динамической модели закрытого аналогового передающего тракта с эффектом квадратурного дисбаланса, позволяющие, в сравнении с известными аналогами, детализировать внутреннюю структуру и повысить качество поведенческого описания исследуемого устройства;

- предложена система двухблочной цифровой линеаризации аналогового тракта, отличная от известных аналогов способностью производить независимую адаптивную подстройку параметров предыскажений для каждого из блоков корректора;

- предложена система двухблочной цифровой линеаризации аналогового тракта с эффектом квадратурного дисбаланса, отличная от известных аналогов возможностью достижения сопоставимых результатов коррекции за счет меньшего количества параметров предыскажений.

Достоверность результатов диссертации подтверждается строгостью доказательств утверждений и наложенных ограничений, обоснованностью применения математического аппарата, результатами экспериментальных исследований на программных моделях. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена применением аттестованной измерительной аппаратуры, обработкой экспериментальных данных современными численными методами.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

- разработанные алгоритмы построения и параметрической идентификации двухблочных нелинейно-динамических моделей позволяют на основе экспериментально полученных сигналов на входе и выходе аналогового передающего тракта получить не только совокупную поведенческую модель исследуемого устройства, но также и поведенческие модели его составных аналоговых частей;

- синтезированный двухблочный цифровой корректор аналогового тракта позволяет снизить уровень внеполосного излучения передаваемого полосового сигнала на 20дБ, оперируя при этом меньшим в сравнении с одноблочным аналогом количеством параметров предыскажений;

- предлагаемый двухблочный цифровой корректор аналогового тракта с эффектом квадратурного дисбаланса позволяет снизить уровень внеполосного излучения передаваемого полосового сигнала на 20дБ и обеспечить степень деформации сигнального созвездия на уровне 0.8%, оперируя при этом меньшим в сравнении с одноблочным аналогом количеством параметров предыскажений.

Основные результаты и положения, представляемые на защиту:

- аналитические модели различных структур передающего СВЧ тракта, позволяющие одновременно описать линейно-инерционные свойства избирательных и преобразовательных цепей, нелинейно-инерционные свойства усилителя мощности и квадратурный дисбаланс аналогового модулятора;

- в сравнении с одноблочными аналогами разработанные двухблочные модели передающего СВЧ тракта за счет дифференциации процессов линейно-инерционных и нелинейно-инерционных искажений сигнала позволяют более точно предсказать отклик системы на заданный сигнал;

- аналитические модели цифровых корректоров, позволяющие одновременно компенсировать различные линейно-инерционные и нелинейно-инерционные искажения сигнала, возникающие в передающем СВЧ тракте;

- в сравнении с одноблочными аналогами разработанная двухблочная структура цифрового корректора в силу более чем двукратного уменьшения количества используемых весовых коэффициентов позволяет снизить вычислительную сложность адаптивного алгоритма системы линеаризации без снижения эффективности ее функционирования;

- аналитические соотношения для определения параметров двухблочных моделей цифровых корректоров, позволяющие адаптировать процесс ввода предыскажений в излучаемый сигнал в зависимости от изменяющихся свойств передающего СВЧ тракта.

Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты были получены при непосредственном участии автора в процессах постановки задач и разработки теоретических и экспериментальных методов их выполнения.

Апробация работы. Основные материалы по всем разделам диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация и связь" (г. Воронеж, 2016, 2017); международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (г. Воронеж, 2015); международной научно-технической конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (г. Севастополь, 2016).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК, 2 - патенты РФ на изобретение, 8 -свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 89 наименований. Общий объем диссертации составляет 147 страниц, включая 70 рисунков и 8 таблиц.

ГЛАВА 1. НЕЛИНЕЙНО-ДИНАМИЧЕСКИЕ ИСКАЖЕНИЯ СИГНАЛА В АНАЛОГОВОМ ТРАКТЕ БЕСПРОВОДНОЙ СИСТЕМЫ

СВЯЗИ

Задача повышения энергетической эффективности системы связи может быть решена как экстенсивными, так и интенсивными методами. В первом случае речь может идти о модернизации устройства без внесения глобальных системных изменений (замена источника питания); или о снижении функциональных возможностей устройства (за счет ограничения ряда внутренних ресурсов); или о кардинальной системной модернизации устройства (замена элементной базы). Во втором случае, речь идет о внесении незначительных технологических или программных изменений, позволяющих существенно повысить энергетическую эффективность системы.

В связи со значительно возросшим числом устройств беспроводной связи при разработке современных систем телекоммуникации накладываются жесткие требования на спектр передаваемого сигнала. Это связано с тем, что при формировании и усилении полезного сигнала из-за нелинейности характеристик передающего тракта возникают различные внеполосные излучения [11, 12]. Помимо появления излучения в соседнем канале нелинейность выходного тракта приводит также к искажению сигнала и в основной его полосе, что увеличивает вероятность битовой ошибки и уменьшает достоверность приёма [13].

В качестве источников внеполосного радиоизлучения могут выступать различные устройства, входящие в состав передающего тракта: модулятор, синтезатор частот, смеситель, но основным устройством, деформирующим полезный сигнал, является усилитель мощности. Обеспечение высокой энергетической эффективности является крайне важным требованием, предъявляемым к усилителям, так как при этом минимизируется потребляемая мощность от источников питания, снижаются расходы на энергопотребление. Кроме того, это приводит к увеличению срока службы активных элементов и

упрощению системы охлаждения с последующим уменьшением размеров устройства. Однако при этом передаточная характеристика усилителя перестает быть линейной, что становится причиной увеличения уровня нелинейных искажений полезного сигнала [13, 1]. Таким образом, при разработке передающего тракта возникает вопрос поиска компромисса между линейностью системы и ее энергетической эффективностью.

Менее заметной, но не менее важной, становится также проблема компенсации дисбаланса квадратур аналогового квадратурного модулятора [14, 15]. Квадратурный дисбаланс проявляется в виде расщепления передаточной характеристики радиотракта на разнесенные составляющие, что приводит к смещению сигнального созвездия и снижению достоверности передачи данных системы связи.

На сегодняшний день, для обеспечения линейности совокупной передаточной характеристики радиотракта активно применяются цифровые алгоритмы компенсации нелинейно-динамических искажений [2, 16, 17]. При этом для корректной оценки характеристик сигнала на выходе радиотракта и определения необходимых и достаточных методов его линеаризации требуется иметь полное представление о физике происхождения побочных нелинейно-динамических эффектов его аналоговых составляющих.

В данной главе рассматриваются механизмы возникновения и компенсации внутриканальных искажений радиотракта. Рассматривается метод ввода цифровых предыскажений как наиболее продуктивный из существующих методов линеаризации. Для синтеза цифрового корректора аналогового радиотракта с помощью метода ввода цифровых предыскажений рассматриваются различные способы построения простых и композитных моделей нелинейно-динамических систем. Наконец, для оптимизации вычислительной нагрузки и увеличения качества последующей цифровой линеаризации предлагается частная двухблочная модель нелинейно-динамической системы, оперирующая меньшим в сравнении с классическими блочно-ориентированными моделями числом искомых параметров.

1.1 Искажения сигналов в аналоговом радиотракте

Начнем главу с рассмотрения источников и причин возникновения различных видов сигнальных искажений, возникающих в аналоговом радиотракте.

1.1.1 Нелинейные искажения сигнала в аналоговом радиотракте

Источником нелинейных искажений в передающем тракте выступает усилитель мощности. Теоретически переходная характеристика усилителя является линейной и определяется линейным коэффициентом усиления О:

У = Ох, (1.1)

где у и .х - выходной и входной сигналы усилителя [18, 19].

На практике усилитель мощности имеет пороговый предел усиления, который зависит от напряжения питания, способа включения или вида элемента усиления. Таким образом, для любого усилителя мощности существует предельный уровень входного воздействия . , при котором значение коэффициента усиления начинает падать. Это приводит к тому, что передаточная характеристика усилителя мощности приобретает нелинейную форму [11]. На рис. 1.1 показаны амплитудные и амплитудно-фазовые передаточные характеристики реального усилителя мощности.

Выходной сигнал усилителя мощности, работающего в нелинейной зоне передаточной характеристики кроме сигнала на рабочей частоте содержит множество побочных интермодуляционных составляющих в непосредственной близости от основной полосы сигнала. При этом, если большую часть нежелательных интермодуляционных составляющих можно убрать последующей фильтрацией сигнала, то внеполосное излучение вблизи основной полосы сигнала - уже нет. Таким образом, результатом воздействия нелинейных искажений

усилителя мощности становится рост уровня внеполосного излучения выходного сигнала (рис. 1.2). Это снижает помехоустойчивость связи и, в целом, приводит к ухудшению спектральной эффективности беспроводного устройства [1, 20].

Нередко, для снижения уровня внеполосного излучения системы связи настраивают на работу только в линейном диапазоне передаточной характеристики усилителя мощности, уменьшая тем самым коэффициент усиления. Такой подход естественным образом сказывается на энергетической эффективности устройства, снижая его КПД.

1.1.2 Линейные искажения сигнала в аналоговом радиотракте

Описанный выше способ анализа нелинейных свойств усилителя мощности является актуальным при выполнении условия стационарности его передаточной характеристики. Иными словами, должна наблюдаться однозначная зависимость между входным и выходным сигналами усилителя мощности. Рассмотрим теперь динамическую составляющую сигнальных искажений, которые проявляет усилитель мощности [21].

Эффект памяти аналогового устройства связан с тем, что в его составе имеются различные инерционные элементы - индуктивности, емкости или другие частотно-зависимые импендансы. В составе усилителя мощности такие элементы содержатся в цепях согласования на его входе и выходе [22]. Таким образом переходные характеристики усилителя становятся инерционными, что выражается в отсутствии однозначности между входным и выходным воздействиями. На рис. 1.3 представлены переходные характеристики инерционного усилителя мощности.

Помимо эффекта памяти усилителя мощности еще одним источником линейных динамических искажений сигнала внутри радиотракта является аналоговый квадратурный модулятор. Процедура аналоговой модуляции передаваемого сигнала сопряжена с эффектом рассогласования фазы и

100

80

60

40

3 « 20

я

■е-

и 0

х

и -20

-40

-60

-80

-100

__ч ■

■ ФАХ А V

О 0.1 0.2 0.3

0.4

0.5 А

0.6 0.7 0.8

0.9

I

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 о

Рис.1.1 Амплитудная характеристика (АХ) и фазоамплитудная (ФАХ)

Рис.1.2 Спектр сигнала на входе (1) и выходе (2) усилителя мощности

коэффициента усиления его квадратурных составляющих - квадратурным дисбалансом [23, 24].

Дисбаланс квадратур естественным образом влияет на степень подавления зеркального канала, что объясняется, во-первых, смещением фазы и коэффициента усиления передаваемого сигнала, а во-вторых, смещением фазы и коэффициента усиления выходного сигнала опорного генератора [15, 25].

В первом случае причиной служит то, что проводники сигнального тракта от выхода ЦАП до входа модулятора в каналах I и Q не являются симметричными, то есть длины проводников I и Р каналов не согласованы. Рассогласование в длине линии вызывает временную задержку сигнала в одном канале относительно другого, что, в свою очередь, приводит к погрешностям фазы квадратурных сигналов в I и Р каналах [14]. Однако стоит заметить, что влияние рассогласования дифференциальной пары проводников зависит от топологии конкретной печатной платы (наличие поворотов) и становится существенным только при их большой длине.

Во втором случае, дисбаланс квадратур объясняется наличием рассогласования между квадратурами выходного сигнала опорного генератора, поступающего на вход модулятора. Качество выходного сигнала опорного генератора, поступающего на смеситель, определяется топологией, входящего в его состав, квадратурного расщепителя фазы [14]. На практике квадратурный дисбаланс выражается в расщеплении амплитудной передаточной характеристики на две ярко выраженные составные части (рис. 1.4), что приводит к угловому смещению сигнального созвездия (рис. 1.5) и, следовательно, росту вероятности принятия неправильного решения при последующем декодировании на приемной стороне. Это ставит вопрос о компенсации квадратурного дисбаланса в ряд актуальных задач при построении передающих систем [26, 27].

Рис.1.3 Переходные характеристики усилителя мощности с выраженными

инерционными свойствами

1.1.3 Методы линеаризации аналогового радиотракта

Рассматривая тракт передачи в целом, стоит заметить, что ключевым источником искажений сигнала в нем выступает именно усилитель мощности. Режим работы усилителя во многом определяет итоговое значение КПД устройства беспроводной связи. Показано [11], что добиться высокого значения КПД системы связи можно лишь при работе усилителя мощности в режиме, близком к насыщению, который характеризуется высоким уровнем нелинейных искажений. Таким образом, встает вопрос нахождения баланса между линейностью передаточной характеристики радиотракта и энергетической эффективностью устройства.

В рамках борьбы с нелинейными искажениями усилителя мощности используют различные методы коррекции - линеаризации - характеристик передающего радиотракта. Выделяют аналоговые и цифровые способы линеаризации.

К аналоговым способам линеаризации относят системы коррекции, которые используют следующие схемотехнические решения: полярная петля обратной связи [28], синфазно-квадратурная петля обратной связи [29], система с прямой связью [30]. Кроме того, выделяют системы с аналоговым предыскажением сигнала, которые применяют схему включения дополнительного устройства -корректора, - которое вносит искусственные искажения в сигнал до того, как он поступит на вход усилителя [31]. Корректор при этом должен иметь характеристики обратные амплитудной и амплитудно-фазовой характеристикам усилителя мощности. Базовый принцип метода ввода предыскажений показан на рис. 1.6, где функция О() описывает нелинейную передаточную характеристику усилителя, а функция Д) - передаточную характеристику корректора. При этом функция Д) обратна функции О(). В итоге, передаваемый сигнал дважды искажается корректором и аналоговым трактом таким образом, что на выходе получается усиленный, но не искаженный сигнал.

Рис.1.4 Переходные характеристики квадратурного модулятора с ярко выраженным дисбалансом квадратур

Щ. ■АР

Л* ■Л«- ЯЬ •А «<г

~ « •А* * „ --»•<■ .-Л, » *

с * * А:

* 4.. % ■■ал ■ !> ■лч -» -ъг- с

1

1.5 -1 -0.5 0 0.5 I 1.5

Рис.1.5 Смещение сигнального созвездия в результате квадратурного дисбаланса

Аналогичную схему ввода предыскажений можно реализовать с помощью численных методов на этапе цифрового формирования сигнала [32, 16]. Такой способ линеаризации позволяет значительно улучшить линейность передающего тракта без потери КПД усилителя мощности. При этом синтез параметров предыскажений цифрового корректора осуществляется на основе различных поведенческих моделей нелинейно-динамической системы. Выбор данного метода может быть обусловлен рядом причин. Во-первых, СВЧ-передатчик крайне чувствителен к любым вмешательствам во внутреннюю структуру аналогового тракта, а метод ввода цифровых предыскажений не подразумевает внесения изменений в аналоговую часть устройства. Во-вторых, характеристики аналоговых компонент радиотракта, как известно, зависят от температуры и рабочей частоты устройства, что поднимает вопрос об оперативном управлении параметрами используемой системы линеаризации. В цифровой схеме линеаризации сделать это проще и эффективнее. В-третьих, применение поведенческих моделей [33] для синтеза параметров предыскажений цифрового корректора подразумевает более гибкую систему линеаризации. Например, при модернизации устройства возможны смена типа модуляции сигнала или замена аналоговых частей радиотракта, которые в равной степени способны влиять на его передаточную характеристику. В такой ситуации аналоговый корректор также потребует переработки, однако для цифрового корректора это означает лишь замену используемой поведенческой модели.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лавлинский Сергей Сергеевич, 2021 год

Список литературы

1. Аверина Л.И. Повышение линейности передающего тракта / Л.И. Аверина, А.М. Бобрешов, В.Д. Шутов // Нелинейный мир. - 2013. - № 10. - С. 720-727.

2. Соловьева Е.Б. Методы линеаризации характеристик усилителей мощности / Е.Б. Соловьева // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". - 2015. - № 9. - С. 41-47.

3. Тихонов В.Ю. Компенсация искажений в нелинейных инерционных устройствах / В.Ю. Тихонов, Ю.С. Шинаков // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов. - 2018. - №.1. - С. 141-146.

4. Faulkner M. Adaptive linearization using predistortion - Experimental results / M. Faulkner, M. Johannson // IEEE Trans. - 1994. - Vol. 43. - pp. 323-332.

5. Gilabert P.L. Multi-lookup table FPGA implementation of an adaptive digital predistorter for linearizing RF power amplifiers with memory effects / P.L. Gilabert // IEEE Trans. - 2008. - Vol. 56. No. 2. - pp. 372-384.

6. Hammi O. A compact envelope-memory polynomial for RF transmitters modeling with application to baseband and RF-digital predistortion / O. Hammi, B. Ghannouchi, B. Vassilakis // IEEE Microwave Wireless Compon. Letters. - 2008. -Vol. 18. No. 5. - pp. 359-361.

7. Rawat M. Three-layered biased memory polynomial for dynamic modeling and predistortion of transmitters with memory / M. Rawat, F.M. Ghannouchi, K. Rawat // IEEE Trans. - 2013. - Vol. 60. No. 3. - pp. 768-777.

8. Schetzen M. The Volterra and Wiener Theories of Nonlinear Systems / M. Schetzen - Revised edition ed. Krieger Publishing Company - 2006. - 618 pp.

9. Ding L. A Robust Digital Baseband Predistorter Constructed Using Memory Polynomials / L. Ding, T. Zhou, D.L. Morgan // IEEE Trans. - 2004. - Vol. 52. No. 1. -P. 159.

10. Digital predistortion system and method with extended correction bandwidth, US 9,172,334 B2 / Hammi O. - October 27, 2015.

11. Maas S.A. Nonlinear microwave and RF circuits / S.A. Maas - 2nd ed. Norwood.: Artech House - 2003. - 582 pp.

12. Raab F.H. Power amplifiers and transmitters for RF and microwave / F.H. Raab // IEEE Trans. - 2002. - Vol. 50. No. 3 - pp. 814-826.

13. Богданович Б.М. Нелинейные искажения в приёмно-усилительных устройствах / Б.М. Богданович - М.: Связь, 1980. - 280 с.

14. Абраменко А.Ю. Компенсация дисбаланса квадратурного модулятора / А.Ю. Абраменко // Доклады ТУСУРа - 2011. - Т. 1 - С. 21-24.

15. Джан И. Баланс квадратурных составляющих и подавления зеркального канала в беспроводных передатчиках / И. Джан // Беспроводные технологии -2001. - № 1. - С. 58-62.

16. Digital predistorter for a wideband power amplifier and adaptation method, Patent US20040179629 A1 / Song Y., Hwang K. - September 16, 2004.

17. Baudoin G. Power amplifier linearization using pre-distortion with memory / G. Baudoin // IEEE Trans. - 2007. - Vol. 58. No. 14 - pp. 1822-1828.

18. Pedro J.C. Intermodulation distortion in microwave and wireless circuits / J.C. Pedro, N.B. Carvalho - London.: Artech House, 2003. - P. 432.

19. Cripps S.C. RF power amplifiers for wireless communications / S.C. Cripps -London.: Artech House, 1999. - P. 486.

20. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра / К. Феер - М.: Радио и связь, 2000. - 520 с.

21. Vuolevi J.H. Measurement technique for characterizing memory effects in RF power amplifiers / J.H. Vuolevi, T. Rahkonen, J.P. Manninen // IEEE Trans. - 2001. -Vol. 29. No. 8. - pp. 1383-1389.

22. Vuolevi J.H., Rahkonen T. The effect of source impedance on the linearity of BJT common-emitter amplifiers / J.H. Vuolevi, T. Rahkonen // IEEE Proc. ISCAS Simposium on Circuits and Systems. - 2000. - Vol. 4. - pp. 197-200.

23. Bassam S. Block-Wise Estimation of and Compensation for I/Q Imbalance in Direct-Conversion Transmitters / S. Bassam, S. Boumaiza, F. Ghannouchi // IEEE Trans. on Signal Proc. - 2009. - Vol. 57. No. 12. - pp. 4970-4973.

24. Ding L. Frequency-Dependent Modulator Imbalance in Predistortion Linearization Systems: Modeling and Compensation / L. Ding, Z. Ma, D.R. Morgan, M. Zeirdt // IEEE Trans. - 2003. - Vol. 3. No. 1. - pp. 688-692.

25. Li M.Y. Nonideal Effects of Reconstruction Filter and I/Q Imbalance in Digital Predistortion / M.Y. Li, J.X. Deng, L. Larson, P.M. Asbeck // IEEE Trans. - 2006. -Vol. 7. No. 6. - pp. 259-262.

26. Saffar D. Compensation of I/Q Impairments and Nonlinear Distortion in MIMO Wireless Transmitters / D. Saffar, N. Boulejfen, F. Ghannouchi, M. Helaoui, A. Gharssalah // NEWCAS - Paris. - 2013. - pp. 256-260.

27. Cao H. I/Q Imbalance Compensation Using a Nonlinear Modeling Approach / H. Cao, A. Tehrani, C. Fager, T. Eriksson, H. Zirath // IEEE Trans. - 2009. - Vol. 59. No. 3. - pp. 513-518.

28. Kenington P.B. High Linearity RF Amplifier Design / P.B. Kenington -London.:Artech House Inc. - 2000. - P.321.

29. Ballesteros E. Analysis and design of microwave linearized amplifiers using active feedback / E. Ballesteros, F. Perez, J. Perez // IEEE Trans. - 1988. - Vol. 36. No. 3. - pp. 499-504.

30. Yang Y. A new linear amplifier using low-frequency second-order intermodulation component feedforwarding / Y. Yang, B. Kim // IEEE Microwave and Guided Wave Letters. - 1999. - Vol. 9. No. 10. - pp. 419-421.

31. Hickson M.T. High efficiency feedforward linearizers / M.T. Hickson, D.K. Paul, P.Gardner, et al. // In Proc. 24th European Microwave Conference. - 1994. - Vol. 1. -pp. 819-824.

32. Qian H. A Low-Complexity Digital Predistortion Algorithm for Power Amplifier Linearization / H. Qian, S. Yao, H. Huang, W. Feng // IEEE Trans. - 2014. - Vol. 60. No. 4. - pp. 670-680.

33. Ghannouchi F. Behavioral Modeling and Predistortion of Wideband Wireless Transmitters / F. Ghannouchi, O. Hammi, M. Helaoui // IEEE Microwave Magazine. -2009. - Vol. 10. No. 7. - pp. 52-64.

34. Аверина Л.И. Бесструктурное моделирование усилителей мощности с учётом инерционных свойств / Л.И. Аверина, Р.А. Рыбалкин, В.Д. Шутов // Известия вузов. Радиоэлектроника. - 2013. - Т. 56. № 1. - С. 50-57.

35. O'Droma M. New modified Saleh models for memoryless nonlinear power amplifier behavioral modelling / M. O'Droma // IEEE Trans. - 2008. - Vol. 56. - pp. 372-384.

36. Faulkner M. Spectral sensitivity of power amplifiers to quadrature modulator misalignment / M. Faulkner, T. Mattsson // IEEE Trans. - 1992. - Vol. 41. No. 11. - pp. 516-525.

37. Коберниченко В.Г. Расчет и проектирование цифровых фильтров / В.Г. Коберниченко - Екатеринбург.: Изд-во Урал. ун-та, 2013. - 64 с.

38. Valkama M. Compensation of frequency-selective I/Q imbalances in wideband receivers: models and algorithms / M. Valkama, M. Renfors // IEEE Proc. on Signal Processing Advances in Wireless Commun. - NY. - 2001. - pp. 42-45.

39. Pedro J. Comparative overview of microwave and wireless power-amplifier behavioral modeling approaches / J. Pedro, S. Maas // IEEE Trans. - 2005. - Vol. 53. No. 4. - pp. 1150-1163.

40. Коплярова Н.В. Алгоритм идентификации систем класса Винера / Н.В. Коплярова // Вестник СибГАУ. Сер. Математика, механика, информатика. - 2014. - № 5. - С. 67-77.

41. Zhu A. An overview of Volterra series based behavioral modeling of RF/microwave power amplifiers / A. Zhu, T.J. Brazil // Proc. Wireless Microwave Technol. Conf.. - 2006. - pp. 101-107.

42. Шаншиашвили В.Г. Структурная идентификация нелинейных динамических систем на множестве непрерывных блочно-ориентированных моделей / В.Г. Шаншиашвили // XII Всероссийское совещание по проблемам управления ВСПУ 2014. - Москва. - 2014. - С. 3018-3028.

43. Евдокимов И.В. Блочно-ориентированные модели в задачах идентификации динамических объектов / И.В. Евдокимов, В.А. Баранов, А.О. Колбина // Символ науки. - 2017. - Т. 2. № 3. - С. 57-61.

44. Yu C. Band-Limited Volterra Series-Based Digital Predistortion for Wideband RF Power Amplifiers / C. Yu, L. Guan, E. Zhu, A. Zhu // IEEE Trans. - 2012. - Vol. 60. No. 12. - pp. 4198-4208.

45. Wills A. Identification of Hammerstein-Wiener Models / A. Wills // IEEE Transactions on Communications. - 2008. - Vol. 56. - pp. 282-291.

46. Afsardoost S. Digital Predistortion Using a Vector-Switched Model / S. Afsardoost, T. Eriksson, C. Fager // IEEE Trans. - 2012. - Vol. 60. No. 4. - pp. 11661174.

47. Bozic M. Joint compensation of IQ impairments and power amplifier nonlinearity for concurrent dual-band transmitters using two-box model / M. Bozic, D. Budimir // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. - 2016. Vol. 25. No. 5. - pp. 340342.

48. Zhai J. Nonlinear filter-based Volterra model with low complexity for wideband power amplifiers / J. Zhai // IEEE Trans. - 2014. - Vol. 24. No. 3. - pp. 203-205.

49. Коротков А.С. Функциональные модели усилителя мощности с "эффектом памяти" / А.С. Коротков, И.А. Румянцев // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. - 2012. - Т. 1. № 5. - С. 50-54.

50. Diniz S.R. Adaptive filtering. Algorithms and practical implementation / S.R. Diniz - NY.: Springer, 2013. - 652 pp.

51. Guan L. Green Communications: Digital Predistortion for Wideband RF Power Amplifiers / L. Guan, A. Zhu // IEEE Microwave Magazine. - 2014. - Vol. 15. No. 7. -pp. 84-99.

52. Аверина Л.И. Двухблочная модель цифрового корректора для линеаризации аналогового радиотракта / Л.И. Аверина, С.С. Лавлинский // Радиотехника и электроника - 2017. - № 7. - С. 687-692.

53. Liu Y. Joint predistortion of IQ impairments and PA nonlinearity in concurrent dual-band transmitters / Y. Liu, W. Chen, J. Zhou // Proc. of the 42nd European Microwave Conf. - NY. - 2012. - pp. 132-140.

54. Anttila L. Recursive learning-based joint digital predistorter for power amplifier and I/Q modulator impairments / L. Anttila, P. Handel, O. Myllari, M. Valkama // International Journal of Microwave and Wireless Technologies. - 2010. - Vol. 2. No. 2. - pp. 173-182.

55. Аверина Л.И. Адаптивная совместная линеаризация квадратурного модулятора и усилителя мощности в составе передающего тракта с помощью двухблочной модели цифрового корректора / Л.И. Аверина, И.А. Бурносенко, С.С. Лавлинский, А.С. Малев // Радиолокация, навигация, связь: XXIII Междунар. науч.- техн. конф., г. Воронеж, 18-20 апр. 2017 - Воронеж. - 2017. - Т. 2. - С. 519525.

56. Haykin S. Adaptive filter theory / S. Haykin - Harlow.: Pearson Education Limited, 2014. - 913 pp.

57. Hagenblad A. Aspects of the Identification of Wiener Models / A. Hagenblad -Linkoping.: Linkoping Studies in Science and Technology, 1999. - 114 pp.

58. Джиган В.И. Адаптивная фильтрация сигналов: теория и алгоритмы/ В.И. Джиган - Москва.: Техносфера, 2013. - 528 с.

59. Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов / Б. Уидроу, С. Стирнз - М.: Радио и связь, 1989. - 440 c.

60. Giordano A.A., Hsu F.M. Least square estimation with application to digital signal processing / A.A.Giordano, F.M. Hsu - Toronto.: John Wiley and Sons, Inc., 1985. - 412 pp.

61. Вентцель Е.С. Теория вероятностей / Е.С. Вентцель - М.: Наука, 1969. - 576 с.

62. Landin P. Comparison of evaluation criteria for power amplifier behavioral modeling / P. Landin, M. Isaksson // IEEE Trans. - 2005. - Vol. 51. No. 2. - pp. 11501153.

63. Pan W. A Predistortion Algorithm Based on Accurately Solving the Reverse Function of Memory Polynomial Model / W. Pan, Y. Liu, Y. Tang // IEEE Wireless Communications Letters. - 2012. - Vol. 1. No. 4. - pp. 384-387.

64. R&S. Vector signal generator SMJ100A. https://scdn.rohde-schwarz.com/ur/pws/dl_downloads/dl_common_library/dl_brochures_and_datasheets/p df_1/SMJ 100A_bro_en_WEB.pdf, 2020. Operating Manual.

65. Keysight Technologies. Keysight Technologies 87405C 100 MHz to 18 GHz. https://www.keysight.com/ru/ru/assets/7018-01457/technical-overviews/5989-5743.pdf, 2020. Technical Overview.

66. R&S. R&S FSW Signal and spectrum analyzer. https://scdn.rohde-schwarz.com/ur/pws/dl_downloads/dl_common_library/dl_brochures_and_datasheets/p df_1ZFSW_dat-sw_en_5215-6749-22_v0500.pdf, 2020.

67. Presti C. Closed-Loop Digital Predistortion System With Fast Real-Time Adaptation Applied to a Handset WCDMA PA Module / C. Presti, D. Kimball, P. Asbeck // IEEE Trans. - 2012. - Vol. 60. No. 3. - pp. 604-618.

68. Sreenath S. International conference on innovations & advances in science, engineering and technology / S. Sreenath, J. Bibin, G. Reddy // Power amplifier linearization using multistage digital predistortion based on indirect learning architecture. - NY. - 2014. - Vol. 1. - pp. 216-223.

69. Yu C. Output-controllable partial inverse digital predistortion for RF power amplifiers / C. Yu, M. Allegue-Martinez, Y. Guo, A. Zhu // IEEE Trans. - 2014. - Vol. 62. No. 11. - pp. 2499-2510.

70. Sungho C. Adaptive predistortion with direct learning based on piecewise linear approximation of amplifier nonlinearity / C. Sungho, J. Eui-Rim, H.L. Yong // IEEE Journal of selected topics in signal proc. - 2009. - Vol. 3. No. 3. - pp. 397-404.

71. Zhou D.Y. Novel adaptive nonlinear predistorter based on the direct learning algorithm / D.Y. Zhou, V.E. DeBrunner // IEEE Trans. on Signal Processing. - 2007. -Vol. 55. No. 1. - pp. 120-133.

72. Younes M. An Accurate Predistorter Based on a Feedforward Hammerstein Structure / M. Younes, F. Ghannouchi // IEEE Trans. - 2012. - Vol. 58. No. 3. - pp. 454 - 461.

73. Raich R. Orthogonal polynomials for power amplifier modeling and predistorter design / R. Raich, H. Qian, G. Zhou // IEEE Trans. - 2003. - Vol. 53. No. 5. - pp. 1468-1479.

74. Eun C. A new Volterra predistorter based on the indirect learning architecture / C. Eun, E. Powers // IEEE Trans. - 1997. - Vol. 45. No. 1. - pp. 223-227.

75. Bohara V. Multi-stage digital predistortion based on indirect learning architecture / V. Bohara, M. Hussein // IEEE International Conf. on Acoustics, Speech and Signal. -2013. - pp. 6093-6097.

76. Tafuri F. Linearization of RF Power Amplifiers Using an Enhanced Memory Polynomial Predistorter / F. Tafuri, C. Guaragnella, M. Fiore, T. Larsen // Norchip Proc. - NY. - 2012. - pp. 104-115.

77. Hammi O. Power Alignment of Digital Predistorters for Power Amplifiers Linearity Optimization / O. Hammi, F. Ghannouchi // IEEE Trans. - 2009. - Vol. 55. No. 1. - pp. 109-114.

78. Fan C.W. Theoretical and experimental study of amplifier linearization based on harmonic and baseband signal injection technique / C.W. Fan, K.K. Cheng // IEEE Trans. - 2002. - Vol. 50. No. 7. - pp. 1801-1806.

79. Соловьева Е.Б. Каскадный предкомпенсатор для линеаризации характеристики усилителя мощности / Е.Б. Соловьева // Цифровая обработка сигналов. - 2013. - № 1. - С. 9-13.

80. Устройство и способ адаптивной линеаризации аналогового радиотракта с помощью двухблочного цифрового корректора: Патент РФ на изобретение № 2676017 / Аверина Л.И., Гриднев А.А., Лавлинский С.С., Малев А.С., Шапошникова Ж.В., Чаркин Д.Ю. // Заявл. 25.07.2017, №2017126829, опубл. 25.12.2018; Бюл. №36. - 6с.

81. Аверина Л.И. Двухблочная цифровая коррекция аналогового радиотракта методами прямого и обратного обучения / Л.И. Аверина, С.С. Лавлинский, А.С. Малев // Вестник ВГУ. Серия: Физика. Математика. - 2018. - № 4. - С. 5-11.

82. Cavers J.K. The effect of quadrature modulator and demodulator errors on adaptive digital predistorters for amplifier linearization / J.K. Cavers // IEEE Trans. -1997. - Vol. 46. No. 2. - pp. 456-466.

83. Kim Y. Adaptive Compensation for Power Amplifier Nonlinearity in the Presence of Quadrature Modulation/Demodulation Errors / Y. Kim, E. Jeong, Y. Lee // IEEE Trans. - 2007. - Vol. 55. No. 9. - pp. 4717-4721.

84. Ding L. Compensation of Frequency-Dependent Gain/Phase Imbalance in Predistortion Linearization Systems / L. Ding, Z. Ma, D. Morgan, M. Zierdt, T. Zhou // IEEE Trans. - 2008. - Vol. 55. No. 1. - pp. 390-397.

85. Hwang T. Linearization and imbalance correction techniques for broadband outphasing power amplifiers / T. Hwang, K. Azadet, R. Wilson, J. Lin // IEEE Trans. On Microwave Theory and Techniques. - 2015. - Vol. 53. No. 12. - pp. 184-198.

86. Аверина Л.И. Компенсация частотно-зависимого дисбаланса в аналоговых квадратурных модуляторах / Л.И. Аверина, С.С. Лавлинский // Теория и техника радиосвязи. - 2015. - № 3. - С. 62-69.

87. Zareian H. New adaptive method for IQ imbalance compensation of quadrature modulators in predistortion systems / H. Zareian, V.T. Vakili // EURASIP Journal on Advances in Signal Processing. - 2009. - Vol. 1. No. 6. - pp. 1-10.

88. Ljung L. System identification. Theory for user. / L. Ljung -Linkoping.:Linkoping University, 1999. - 609 pp.

89. Способ совместной цифровой линеаризации усилителя мощности и квадратурного модулятора: Патент РФ на изобретение № 2731128 / Аверина Л.И., Лавлинский С.С., Малев А.С., Чаркин Д.Ю. // Заявл. 18.02.2020, №2020107246, опубл. 31.08.2020; Бюл. №18. - 8с.